釀酒葡萄修剪機高度調節設計與有限元分析

韓會敏，周 艷，賈首星，何 磊，代亞猛，蔡文龍，李 帆

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003；2.新疆農墾科學院，新疆 石河子 832003)

0 引言

葡萄為多年蔓生作物，其枝條能纏繞他物攀援上升，枝蔓的中下部被遮擋而得不到充足的風及陽光[1]。如果對其進行合理的修剪，能確保一定數量的芽眼，長出良好的新生枝蔓，減少營養的流失，并能使果實充分著色，提升果實的外觀和品質。因此，合理的葡萄修剪是使葡萄獲得穩產、高產的必要條件。目前，我國葡萄修剪作業主要以人工修剪為主，只有少數使用氣動或電動修剪機具[2]。人工修剪需要大量的勞動力，且存在勞動強度大、效率低及修剪質量難以保證等諸多問題[3]。

針對這一現狀，在國內外修剪機械研究的基礎上設計了一種葡萄修剪機械。高度調節裝置是整個修剪機械的關鍵部件之一，其設計的好壞將事關整個機器能否順利運行。調節裝置主要通過液壓油缸進行調節，是一種微型高度調節機構，可在液壓油缸調節的基礎上根據葡萄實際高度來調節修剪機械的修剪高度。該高度調節裝置承受著整個修剪裝置的重力和工作中的緩沖載荷，因此需要經過全面合理的分析、計算、優化和驗證[4]。

本文結合工作要求在SolidWorks中建立三維模型，然后運用Ansys Workbench有限元分析軟件進行靜力學、模態分析，并結合試驗驗證其設計的合理性。

1 釀酒葡萄種植模式與調節裝置

1.1 釀酒葡萄種植模式

釀酒葡萄的種植模式主要有[5]棚架式、籬壁式、柱架式，而新疆葡萄的種植模式主要為單臂籬壁式[6]，如圖1所示。其株距L1一般為0.5～1m，行距L2為2.5～3.5m，葡萄枝藤寬度L3為1.5m，高度L5為1.8m，樹樁的高度L4為2m。

圖1 釀酒葡萄種植模式

1.2 調節裝置主要結構及模型的建立

由于葡萄種植管理的不同，后期葡萄的長勢會有很大的差別。為了便于修剪不同高度的枝條，設計了一種伸縮桿式的調節裝置，可根據葡萄修剪要求微調節修剪機修剪范圍。

釀酒葡萄修剪機高度調節裝置由主橫梁、下連接管、上刀架內套管、前刀架外套管、主擺架連接板、加強筋、前支板及側橫梁管等組成，如圖2所示。其中，主橫梁兩端連接兩側部修剪裝置采用龍門式修剪，可同時修剪葡萄藤的兩側，根據修剪要求調整兩側部修剪裝置間的距離。下連接管處和頂部修剪裝置相連接，修剪高度由前刀架外套管和上刀架內套管調整而得。

1.主橫梁 2.下連接管 3.上刀架內套管 4.主擺架連接板 5.前支板 6.側橫梁管 7.加強筋 8.前刀架外套管圖2 調節裝置三維結構簡圖

1.3 主要結構參數

調節裝置主要技術參數如表1所示。

表1 調節裝置相關參數

2 調節裝置靜力學分析

2.1 調節裝置的受力分析

釀酒葡萄修剪機高度調節裝置所受載荷主要包括調節裝置自重、左右兩側修剪部裝，以及工作時停止、啟動和運行中的慣性載荷。為了便于分析，現把修剪裝置看作一個整體[7]，對其在正常工作狀態下進行受力分析，如圖3所示。

圖3 調節裝置受力簡圖

調節裝置豎直方向上主要承受的載荷為

Q=KG0+G1+G2+Fa

其中，G0為調節裝置自重(N);K為重量轉化系數，一般取K=1.2；G1、G2為左右切削部裝自重的作用力(N)；Fa為工作過程中的慣性力，Fa=m0a。

利用SolidWorks中評估功能，評估出所需零部件的質量。其中，m0=142kg，m1+m2=86kg。由于豎直方向上慣性加速度相對比較小,取a=0.018m/s2，Fa=m0a=2.556N,Q=2 515.276N。

2.2 有限元模型建立、網格劃分

本文采用SolidWorks 三維繪圖軟件建立高度調節裝置模型，并在該軟件中進行裝配；模型創建完成后，為了與Ansys 有限元分析軟件對接[8]，將該模型保存為IGES格式，避免了再次建模，節約了繪圖時間，提高了效率[9]。為了便于建立有限元模型，現對結構中局部細節進行合理簡化，并采用實體單元SOLID95對修剪機調節裝置進行網格劃分[10]。定義材料屬性如表2所示。

表2 模型屬性參數

為了減少計算時間，提高計算效率，采用自動網格劃分，如圖4所示。該結構共劃分311 401個節點、16 210個單元。

2.3 添加載荷、求解分析結果

按照調節裝置的受力分析，對其施加載荷，分別求解調節裝置的總變形云圖和應力云圖，如圖5、圖6所示。

圖4 修剪裝置的網格劃分

圖5 總變形云圖

圖6 應力云圖

在修剪工作狀態中，調節裝置最大變形量為1.536 6mm，主要發生在上刀架內套管與前刀架外套管連接處。由于受到上刀架部裝對孔的壓力和扭矩，因此該處發生形變位移最大。

調節裝置的最大應力發生在前支板處，最大應力為216MPa。根據許用應力的計算公式[11-12]，則

其中，σb為材料的屈服極限，nb為安全系數，[σ]為許用應力。

根據零件材料取σb=235MPa，nb=1，代入上述公式，則[σ]=235MPa，[σ]max=216MPa<[σ]=235MPa。因此，該調節裝置的設計滿足強度要求。

3 調節裝置的模態分析與安全系數分析

3.1 調節裝置模態分析

對修剪機高度調節裝置進行模態分析，是為了更好地在試制樣機前預測產品的動態性能，同時根據優化結果抑制或消除振動和外界噪聲的影響，避免工作時的激振頻率與自然頻率相近而引起共振現象，或使工作頻率避開一定范圍的激振頻率。因此，現利用Ansys 有限元分析軟件對修剪機調節裝置進行模態仿真分析[13]。為了便于分析計算、減少運行內存，現取前6階模態進行分析[14]。1～6階模態如圖7～圖13所示。

圖7 調節裝置1～6階的固有頻率

圖8 1階模態頻率振型

圖9 2階模態頻率振型

圖10 3階模態頻率振型

圖8中 ，主橫梁兩端處變形量最大，偏移量為479.26mm。圖9中，下連接管端口處變形量最大，偏移量為786.87mm。圖10中，下鏈接管上端口處變形量最大，偏移量為799.43mm。

圖11 4階模態頻率振型

圖12 5階模態頻率振型

圖13 6階模態頻率振型

圖11～圖13中，主橫梁兩端處變形量最大，偏移量分別為574.73、551.82、657.49mm。由此可以看出，模態頻率對變形量的影響很大。為了防止共振現象產生，可對偏移量發生較大的位置采取加筋板等方式加強處理。

為了確認調節裝置在工作時是否發生共振現象，現對其進行激振分析。激振頻率公式[15]為

其中，μ為修剪機前進速度；λ為地面弧度波長。

取μ=6km/h，λ=0.2m，代入上述公式得F=8.33Hz。

在圖7調節裝置的固有頻率中，固有頻率呈現逐漸增大的趨勢，而最小1階頻率50Hz遠大于激振頻率8.33Hz，所以該高度調節裝置在工作中不會發生共振現象。

3.2 調節裝置安全系數分析

安全系數是確保修剪機械安全、可靠的重要因素，現對調節裝置進行安全仿真分析，結果如圖14所示。其中，最小安全系數1.15大于1，結果驗證了其設計的安全合理性[16]。

圖14 安全系數

4 試驗驗證

由上文高度調節裝置的應力、模態分析及安全系數分析結果可知，釀酒葡萄修剪機高度調節裝置的設計符合工作要求。在此基礎上對其加工、組裝，并進行田間測試試驗,如圖15所示。

圖15 田間試驗

2017年9月,在新疆石河子的葡萄園進行了樣機田間試驗，樣機的技術參數如表3所示。試驗結果表明：修剪機高度調節裝置的設計符合修剪機各項要求指標。

表3 樣機技術參數

續表3

5 結論

1)運用SolidWorks三維繪圖軟件對釀酒葡萄修剪機高度調節裝置進行實體建模，利用數據交換將其導入有限元分析軟件ANSYS中，并針對工作要求對形變、應力進行靜力學分析。結果表明：最大應力小于許用應力，設計滿足強度要求。

2)對高度調節裝置進行前6階模態分析，其振動頻率均大于外界激振頻率，故不會發生共振現象。安全系數仿真結果均大于1，因此該設計滿足安全性和可靠性要求。